수직 이착륙기

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1. 개요

수직 이착륙기는 활주로 없이 수직으로 이착륙이 가능한 항공기를 의미하며, 레오나르도 다 빈치의 스케치에서 아이디어가 제시된 이후 다양한 시도를 거쳐 발전했다. 초기에는 헬리콥터 외에도 다양한 방식의 실험이 이루어졌으며, 제2차 세계 대전 이후 독일에서 요격기 개발 시도가 있었으나 실용화되지는 못했다. 이후 미국, 영국, 프랑스 등에서 다양한 실험과 개발이 진행되었고, 추력 편향, 틸트로터, 틸트윙, 테일시터 방식 등 여러 기술이 등장했다. 현재는 해리어, F-35B와 같은 군사용 항공기뿐만 아니라, V-22 오스프리와 같은 틸트로터 방식의 수송기, 에어 택시 등 민간용으로의 활용도 모색되고 있다. 대한민국은 틸트로터 기술을 적용한 스마트 무인기 개발, KAI의 TR-60/TR-100, NI-500VT 등 다양한 수직 이착륙기 개발을 추진하며, 도심 항공 모빌리티(UAM) 산업 육성을 위한 정책을 펼치고 있다.

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수직 이착륙기
개요
수직 이착륙기의 개념도
종류	헬리콥터 틸트로터기 고정익기
설명	활주로 없이 수직으로 이륙하고 착륙할 수 있는 항공기
기술적 분류
로터 방식	헬리콥터: 메인 로터와 테일 로터를 사용 틸트로터기: 로터 방향을 전환하여 수직/수평 비행
제트 방식	수직 이착륙 제트기: 제트 엔진 추력을 아래로 분사 리프트 팬: 팬을 사용하여 수직 추력 생성
복합 방식	로터와 제트 엔진을 결합
장단점
장점	활주로 불필요 좁은 공간에서 운용 가능 신속한 기동성
단점	복잡한 구조 높은 개발 비용 상대적으로 낮은 연료 효율
역사
초기 개발	2차 세계대전 이후 다양한 시도
실용화	해리어: 최초의 성공적인 수직 이착륙 제트기 V-22 오스프리: 틸트로터기의 대표적인 예시
최근 동향	무인 항공기(드론)에 적용 증가 전기 수직 이착륙기(eVTOL) 개발 활발
활용 분야
군사	해상 작전 특수 작전 수송
민간	도심 항공 모빌리티 (UAM) 응급 의료 수송
주요 기종
헬리콥터	AH-64 아파치 UH-60 블랙 호크
틸트로터기	V-22 오스프리
수직 이착륙 제트기	해리어 F-35B
eVTOL	다양한 개발 모델 존재
관련 기술
비행 제어 시스템	복잡한 제어 로직 필요
엔진 기술	높은 추력 대 중량비 요구
소재 기술	경량 고강도 소재 적용
참고 문헌

2. 역사

수직 비행 개념은 수천 년 전부터 존재했으며, 레오나르도 다 빈치의 스케치에도 헬리콥터와 같은 수직이착륙(VTOL)기 구상이 나타나 있다. 20세기 초인 1907년에 원시적인 형태의 유인 헬리콥터가 처음 비행했지만, 헬리콥터가 실용화된 것은 제2차 세계 대전 이후였다.^[5]^[6]

헬리콥터 개발 외에도, 1920년대 헨리 베를리너는 실험적인 수평 로터 고정익 항공기를 제작했고, 니콜라 테슬라는 1928년 '플리버'라는 수직이착륙기 초기 형태 장치의 특허를 획득했는데, 이는 현대 틸트로터와 유사했다.^[7]^[8] 1930년대 후반 레슬리 에버렛 베인스는 베인스 헬리플레인이라는 또 다른 틸트로터 항공기 특허를 받았다. 1941년 독일 하인리히 포케는 포케-아켈리스 Fa 269 개발을 시작했지만, 전쟁 중 폭격으로 중단되었다.^[9]

2. 1. 초기 실험과 발전

레오나르도 다 빈치의 스케치북에는 수직 비행에 대한 아이디어가 담긴 VTOL(헬리콥터) 스케치가 나타나 있다. 1907년에는 원시적인 헬리콥터 형태의 유인 VTOL 항공기가 처음으로 비행했지만, 제2차 세계 대전 이후에야 헬리콥터가 완성되었다.^[5]^[6]

헬리콥터 개발 외에도, 헨리 베를리너는 1922~1925년에 실험적인 수평 로터 고정익 항공기를 만들었고, 니콜라 테슬라는 1928년에 플리버(Flivver)라는 이름의 공중 수송 장치 특허를 얻었는데, 이는 현대의 틸트로터에 가까운 수직 이착륙기의 초기 형태였다.^[7]^[8] 1930년대 후반, 영국 항공기 설계자 레슬리 에버렛 베인스는 베인스 헬리플레인이라는 또 다른 틸트 로터 항공기에 대한 특허를 받았다. 1941년 독일 설계자 하인리히 포케는 수직 이륙을 위해 아래쪽으로 기울어지는 두 개의 로터를 가진 포케-아켈리스 Fa 269에 대한 작업을 시작했지만, 전쟁 중 폭격으로 인해 개발이 중단되었다.^[9]

제2차 세계 대전 후기, 연합국의 폭격에 시달리게 된 나치 독일은 활주로 없이 운용할 수 있는 요격기 개발을 서둘렀다. 하인켈 베스페, 하인켈 레르헤, 포케불프 트립플뤼겔 등이 제안되었지만, 실용화되지 못하고 종전을 맞이했다.

이들 항공기는 모두 기체를 세워 수직 이착륙하는 "테일 시터" 방식을 채택했으며, 종전 후 연합국도 유사한 시스템의 실용화를 목표로 했다. 1951년 5월, 록히드와 컨베어사(Convair)는 두 대의 실험적인 VTOL 전투기를 설계, 제작 및 시험하기 위한 계약을 체결했다. 록히드는 XFV를, 컨베어는 컨베어 XFY 포고를 제작했다. 미국은 XFY, XFV-1을 제작했고, 프랑스는 C450 코레오프테르를 개발했다. 그러나 XFY 외에는 수직 이착륙에 성공하지 못했고, XFV는 비행에는 성공했지만 성능과 실용성에 문제가 있어 (초음속 전투기 시대에 아직 아음속 미만이었다) 실용화에는 이르지 못했다.

1958년 말, 프랑스의 SNECMA 콜레옵테르는 테일시터 폐쇄익 설계를 기반으로 첫 비행을 수행했으나, 유일한 프로토타입은 1959년 아홉 번째 비행에서 파괴되었고, 두 번째 프로토타입에 대한 자금 지원은 이루어지지 않았다.

테일 시터 방식은 수직 착륙 시 조종사가 거울을 이용해서만 지면을 볼 수 있어서 수직 착륙이 매우 어렵다는 가장 큰 문제점이 있었고, 이 방식으로는 수직 이착륙기의 실용화는 무리라는 결론에 도달했다.

1953년, 영국의 롤스로이스는 "하늘을 나는 침대 틀(flying bedstead)"이라고 불린 추력 측정 장비를 개발했다. 이것은 침대 틀과 같은 외형으로, 항공기라고 하기 어려웠지만, 여기에 사용된 엔진의 사상은 SC.1에 사용된 엔진에 계승되었다. 또한 이 시스템은 획기적인 추력 편향식 제트 엔진인 페가수스 엔진 개발로 이어졌다. 페가수스 엔진은 추력을 편향할 수 있는 노즐을 4개 가지고 있어, 단발 엔진으로도 안정적으로 수직 이착륙이 가능했다.

쇼트 SC.1은 최초의 영국 고정익 VTOL 항공기였다. SC.1은 VTOL 비행 및 전방 비행으로의 전환과 관련된 문제를 연구하기 위해 설계되었다. 1953년 9월에 발행된 수직 이착륙 연구 항공기에 대한 공급부(MoS) 요청(ER.143T)을 충족하도록 설계되었으며, 1954년 10월 15일자 사양 ER.143D를 충족하기 위해 두 대의 항공기(XG900 및 XG905)에 대한 계약이 체결되었다. SC.1에는 VTOL 항공기용 최초의 "플라이 바이 와이어" 제어 시스템이 장착되어, 공기역학적 표면 또는 노즐 제어를 3가지 모드로 제어할 수 있었다.

2. 2. 추력 편향 기술의 등장

롤스로이스는 1953년에 추력 측정 장비("플라잉 베드스테드")를 개발했다.^[26] 이는 최초의 영국 VTOL 항공기인 쇼트 SC.1(1957)에 사용된 최초의 VTOL 엔진으로 이어졌으며, 수평 추력을 위한 수평 엔진과 함께 4개의 수직 리프트 엔진을 사용했다. 쇼트 SC.1은 VTOL 비행 및 전방 비행으로의 전환과 관련된 문제를 연구하기 위해 설계되었다.

쇼트 SC.1은 최초의 영국 고정익 VTOL 항공기였다. SC.1은 수직 이착륙 연구 항공기에 대한 요구를 충족하도록 설계되었고 두 대의 항공기에 대한 계약이 체결되었다. SC.1에는 또한 VTOL 항공기용 최초의 "플라이 바이 와이어" 제어 시스템이 장착되었다.

미셸 위보는 추력의 경로를 변경하여 수직 및 수평 비행에 동일한 엔진을 사용한다는 아이디어를 고안했다.^[27] 이는 회전하는 4개의 노즐을 사용하여 다양한 각도로 추력을 지시하는 브리스톨 시들리 페가수스 엔진으로 이어졌다. 이 엔진은 호커 P.1127에 사용되었으며, 호커 시들리 해리어로 이어졌다.

해리어 점프 제트(Harrier jump jet)가 인도 해군 항공대(Indian Naval Air Arm)에 착륙하고 있다.

해리어는 일반적으로 STOVL 모드로 운행되며, 이를 통해 주어진 거리에서 더 많은 연료 또는 무기를 탑재할 수 있다.^[4] V/STOL에서 VTOL 항공기는 수직 추력을 사용하여 이륙하기 전에 활주로를 따라 수평으로 이동한다. 이는 추력뿐만 아니라 공기역학적 양력을 제공하며, 더 무거운 하중으로 이륙할 수 있게 해주고 더 효율적이다. 착륙 시 항공기는 추진체 무게 감소로 인해 훨씬 가벼워지고 제어된 수직 착륙이 가능하다. 해리어 STOL 작전에서 해군 항공모함의 중요한 측면은 이륙 시 항공기에 추가적인 수직 운동량을 제공하는 "스키 점프"식으로 올려진 앞부분 갑판이다.^[28]

인도 해군(Indian Navy)은 항공모함에서 시 해리어(Sea Harrier)를 2016년까지 운용했다.^[32] 해리어의 최신 버전인 BAE 해리어 II(BAE Harrier II)는 영국 공군(Royal Air Force)과 해군에서 운용된 후 2010년 12월에 퇴역했다. 미국 해병대(United States Marine Corps)와 이탈리아 및 스페인 해군은 미국-영국 합작 AV-8B 해리어 II(AV-8B Harrier II)를 사용하고 있다. 미국과 영국의 공군에서 해리어 II/AV-8B를 대체하는 것은 록히드 마틴 F-35 라이트닝 II(Lockheed Martin F-35 Lightning II)의 STOVL 변종인 F-35B이다.^[33]

추력 편향은 제트 엔진과 로켓 엔진에 사용되는 기술로, 엔진 배기 방향을 변경하는 기술이다. 수직 이착륙기(VTOL)에서 배기는 수직 추력과 수평 추력 사이에서 변경될 수 있다.

2. 3. 틸트로터 및 기타 기술의 발전

NASA는 벨 XV-15 연구기(1977)를 통해 틸트로터 기술을 연구했다.^[12] 벨-보잉 V-22 오스프리는 세계 최초의 양산형 틸트로터 항공기로, 각 날개 끝에 3엽 프로로터, 터보프롭 엔진 및 변속기 나셀을 장착하고 있다. 오스프리는 수직 이착륙(VTOL)과 단거리 이착륙(STOL) 기능을 모두 갖춘 다목적 항공기로, 헬리콥터의 수직 이착륙 능력과 터보프롭 항공기의 장거리, 고속 순항 성능을 결합했다. FAA는 오스프리를 동력 리프트 항공기로 분류한다.^[15]

미 해병대원들이 최초의 양산형 틸트로터 항공기인 벨-보잉 V-22 오스프리에서 뛰어내리고 있다.

소련 해군은 야코블레프 Yak-38을 통해 경항공모함, 화물선 등에서 운용할 수 있는 VTOL 항공기를 개발했다. 이 항공기는 야코블레프 Yak-36 실험기를 기반으로 1970년대에 개발되었다. 소련 해체 전에는 Yak-38의 후속 기종으로 초음속 VTOL 항공기인 Yak-141이 개발되었으나, 양산되지는 못했다.^[23]

독일은 1960년대와 1970년대 초에 세 가지 VTOL 항공기를 계획했다. EWR VJ 101C는 VTOL 이착륙에 성공하고 1960년대 중후반 마하 1 이상의 시험 비행을 수행했다. 시험기 중 하나는 뮌헨 독일 박물관에, 다른 하나는 프리드리히샤펜 공항 외부에 보존되어 있다. 다른 기종으로는 VFW-Fokker VAK 191B 경전투기 및 정찰기, 도르니에 Do 31E-3 (수송)이 있었다.^[24]

최근에는 리프트 팬과 추력 편향 노즐을 결합한 방식과 같이 발전된 형태의 수직 이착륙기 기술도 등장하고 있다.

2. 4. 한국의 수직이착륙기 개발 노력

한국은 1970년대부터 항공우주기술연구소를 중심으로 수직이착륙기 개발을 추진해 왔다. 현재 한국항공우주산업(KAI)를 중심으로 차세대 수직이착륙기 개발이 진행 중이다. 특히 무인 수직이착륙기 분야에서 높은 기술력을 보유하고 있으며, 다양한 모델을 개발하여 국내외 시장에 진출하고 있다.

3. 주요 기술 및 분류

수직이착륙기는 이착륙 시 엔진의 동력만으로 기체를 부양하는 파워드 리프트 방식을 사용한다. 이를 위해 추력 대 중량비를 1 이상으로 높일 수 있도록, 가벼운 기체와 강력한 엔진을 조합해야 한다. 또한, 이착륙 시나 받음각이 커서 양력을 얻기 힘든 비행 중에는 공기역학적으로 안정을 유지할 수 없기 때문에, 동력으로 기체를 제어하는 장치가 필요하다.

수직이착륙기는 파워드 리프트 방식과 추진 방식의 조합에 따라 여러 종류로 나뉜다. 비행에 성공한 기체만 보더라도 15~20가지 종류가 있다. 대표적인 방식은 다음과 같다.

컨버터블
* 틸트 로터
* 틸트 윙
테일시터
추력 편향
리프트 엔진

국제 민간 항공 기구(ICAO)는 회전익기를 제외한 수직 이착륙기를 파워드 리프트로 분류하고 있다.

3. 1. 리프트 엔진 방식

주 엔진 외에 수직 이착륙을 위한 별도의 리프트 엔진을 장착하는 방식이다. 수평 비행용 엔진과는 별도로, 수직 이착륙 전용 엔진(리프트 엔진)을 갖춘 형태로, '''복합 추진 방식'''이라고도 불린다.^[46] 야코블레프 Yak-38과 야코블레프 Yak-141이 대표적이다. 소련이 실전 배치한 유일한 수직 이착륙 전투기인 Yak-38, 실용화에는 성공했지만 양산되지 못한 Yak-41(Yak-141)은 모두 추력 변경식 엔진 병용의 리프트 엔진 방식이다.

이 방식은 리프트 엔진과 앞으로 향하는 제트 엔진 두 종류를 구비해야 하므로 연료 소비가 크다. 수평 비행 시에는 Dead Weight|데드 웨이트^영어가 발생하는 단점이 있다. 리프트 엔진은 수평 비행 시 추력원으로 사용하지 않아 데드 웨이트가 되어 전체적인 성능 저하를 초래하지만, 엔진으로서는 짧은 시간 동안만 작동하면 되므로, 동일한 추력의 일반적인 제트 엔진보다 소형 경량화가 가능하여 어느 정도 이러한 단점이 완화된다.

프랑스가 개발한 발자크 V는 수평 비행용과 수직 이착륙용으로 각각 전문적인 엔진을 사용했지만, 후술할 단점이 커서 완전한 실용성을 가진 것은 앞서 언급한 추력 편향식 엔진과 리프트 엔진을 병용하는 경우가 많다.

2018년 현재 거의 유일한 실용기인 F-35B는 이착륙용으로 별도의 엔진을 갖는 대신, 메인 엔진에서 뻗어 나온 샤프트로 구동되는 대추력의 리프트 팬을 사용하여 소형·경량화를 꾀하고 있다.

3. 2. 리프트 팬 방식

리프트 팬 방식은 리프트 엔진 대신 리프트 팬을 사용하여 수직 이착륙하는 방식이다. F-35 라이트닝 II B형이 대표적이다.^[23] 리프트 팬은 주 엔진과 기계적으로 연동되며, 수직 이착륙 시에는 하나의 엔진만 운용한다. 비행 중이나 활주 이착륙 시에는 클러치를 이용해 팬으로 가는 동력을 차단하여 연료 효율을 높인다.

리프트 팬 방식은 리프트 엔진 방식에 비해 연료 효율이 높고, 구조가 간단하여 제작이 쉽다는 장점이 있다. 다만, 동력 차단에 사용되는 기어와 팬의 회전 속도를 조절하는 감속 기어 등을 설치할 공간이 필요하다는 단점이 있다.

3. 3. 추력 편향 노즐 방식

BAE 해리어 II 시리즈는 한두 개의 주 엔진만을 사용하며 노즐을 여러 개로 분할한 방식을 사용한다. 공간을 적게 차지하는 장점이 있지만, 느린 속도와 복잡해지는 노즐 형태 등의 단점이 있다. 이러한 단점은 제공전투기나 요격기로는 사용이 불가능해지는 치명적인 단점으로 작용하여, 국지전투기나 공격기로만 제한되며, 이 경우 육상의 공군보다는 해상의 함재기로서 운용하는 경우가 많다. 영국, 미국, 태국이 운용하는 영국제 BAE 해리어 II 시리즈가 대표적이다.^[4]

3. 4. 틸트로터 방식

틸트로터는 프로펠러 또는 로터를 수직으로 기울였다가 수평 비행을 위해 앞으로 기울이는 방식이다. 주 날개는 제자리에 고정되어 있다.^[46]

엔진(과 프로펠러)의 방향을 전환하는 수직 이착륙기를 '''추력 전환식'''이라고도 한다. 비행 특성을 고정익기에서 회전익기로 '''전환'''할 수 있어 '컨버티플레인'(Convertible Aircraft)이라고 불렸다. 수직 이착륙 시 (및 저속 비행 시)에는 위쪽을 향한 프로펠러가 헬리콥터의 로터처럼 사용된다. 따라서 일반적인 프로펠러기보다 직경이 큰 프로펠러를 사용한다 (다만 로터로 간주하면, 일반적인 헬리콥터보다 소형이 된다).

벨-보잉 V-22 오스프리는 각 날개 끝에 3엽 프로로터, 터보프롭 엔진 및 변속기 나셀이 하나씩 장착되어 있다. 오스프리는 수직 이착륙(VTOL)과 단거리 이착륙(STOL) 기능을 모두 갖춘 다목적 항공기이다. 헬리콥터처럼 임무를 수행하도록 설계되었으며, 터보프롭 항공기의 장거리, 고속 순항 성능을 갖추고 있다. FAA는 오스프리를 동력 리프트 항공기 모델로 분류한다.^[15] 1940년대 중반의 포케-아켈리스 Fa 269와 1950년대의 Centro Técnico Aeroespacial "Convertiplano"와 같은 틸트로터가 시험 또는 모형 단계에 도달했지만, 벨-보잉 V-22 오스프리는 세계 최초의 생산 틸트로터 항공기로 간주된다.

NASA는 벨 XV-15 연구기(1977)와 같은 다른 VTOL 항공기를 비행했다.^[12]

1930년대 후반, 영국 항공기 설계자 레슬리 에버렛 베인스는 또 다른 틸트로터 항공기인 베인스 헬리플레인에 대한 특허를 받았다. 1941년 독일 설계자 하인리히 포케는 수직 이륙을 위해 아래쪽으로 기울어지는 두 개의 로터를 가진 포케-아켈리스 Fa 269에 대한 작업을 시작했지만, 전쟁 중 폭격으로 인해 개발이 중단되었다.^[9]

3. 5. 틸트윙 방식

틸트윙 항공기는 프로펠러 또는 로터가 일반적인 날개에 고정되어 있으며, 전체 어셈블리를 기울여 수직 비행과 수평 비행 사이를 전환한다.

수직 이착륙기에서 엔진(과 프로펠러)뿐만 아니라 주 날개도 동시에 방향을 전환하는 방식이다. '''후류 편향 방식'''이라고도 불린다.^[46]

3. 6. 테일시터 방식

테일시터는 수직 이착륙기의 한 형태로, DC-X처럼 꼬리를 아래로 하여 이착륙하는 방식이다. 이 종류의 항공기로 가장 유명한 것은 라이언 X-13이다. 프로펠러 방식으로는 XFV-1과 XFY-1이 있다. 함재기로서 F-16의 테일시터가 조사되어 풍동 실험용 모형이 제작되었는데, 기수가 꺾이는 구조였다.

나치 독일 공군에서도 테일시터 계획으로 포케불프 트리프플뤼겔 (회전익) 전투기가 있었다. 이 계획은 날개 끝의 소형 제트 엔진을 분사하여 주익을 회전시키는 구조로, 주익 자체가 프로펠러가 되는 방식이었다. 완성되지는 않았지만 구조상 일반적인 착륙은 불가능하고 어려움이 따랐을 것으로 생각된다. 프랑스에서는 C450 콜레오프테르라는 제트 엔진 실험기도 제조되었다.

테일시터는 이륙 시 수직에서 수평, 착륙 시 수평에서 수직으로 전환하는 비행이 어려웠다. 착륙 시 조종자가 지면을 직접 보기 어려워 조종이 극히 어려웠으며, 지면에 대해 완전한 수직 자세를 유지해야 했기에 수동 조종이든 자동 제어든 어려웠다. 함재기로 사용할 경우에는 흔들리는 함상에서 완전한 수직 자세를 유지하는 것이 불가능에 가까웠다. 착륙 시의 시야 문제는 기체 자세와 관계없이 조종석을 기울여 수평을 유지함으로써 어느 정도 해결되었지만, 다른 문제는 해결이 어려워 실용화되지 못했다. 테일시터는 최하부에 반드시 캐스터 모양의 바퀴가 부착되어 있는데, 이는 착륙 시 측풍이 조금이라도 있으면 바람에 흘러 횡이동하면서 착륙하게 되므로 바퀴가 없으면 지면에 걸려 무게 중심이 높은 기체가 쉽게 넘어지기 때문이다.

수직 이착륙 또는 호버링 시에는, 프로펠러기의 경우 프로펠러 후류가 동익에 닿음으로써 공중 정지 상태에서도 조종이 가능하다. 제트기의 경우에는 추력 편향으로 조종한다. 프로펠러기의 경우에는 회전익의 반동 (토크 롤)을 상쇄하기 위해 동축 반전 프로펠러가 채용되었다.

최근에는 단단식 우주 수송기나 행성 탐사선, UAV 등에서도 시도되고 있다.

포케불프 트리프플뤼겔
하인켈 레르헤
하인켈 베스페
록히드 XFV-1
컨베어 XFY-1
라이언 X-13
SNECMA C450 콜레오프테르
맥도넬 더글러스 DC-X 델타클리퍼
AeroVironment SkyTote
NASA 퍼핀
로터리 로켓
Quad (rocket)|Quad|쿼드^영어

4. 현황 및 전망

수직이착륙기는 군사적 목적으로 널리 사용되며, 특히 항공모함이나 강습상륙함에서 운용되는 함재기로 활용된다. 해리어와 F-35B는 대표적인 함재기이며, V-22 오스프리는 틸트로터 방식의 수직이착륙기로 병력 수송, 물자 보급, 특수 작전 등 다양한 임무를 수행한다.

현대식 수직 이착륙 무인 항공기인 Schiebel Camcopter S-100

최근에는 민간 분야에서도 수직이착륙기의 활용 가능성이 높아지고 있으며, 특히 도심 항공 모빌리티(UAM) 분야에서 주목받고 있다. 릴리움 제트와 조비 에비에이션 등 여러 기업에서 수직이착륙 전기 항공기(eVTOL)를 개발하고 있으며, 대한민국 정부는 UAM 산업 육성을 위한 정책을 추진하고 관련 기술 개발 및 인프라 구축에 투자하고 있다.^[1]

스페이스X는 재사용 발사 시스템 개발 프로그램 검증을 위해 여러 팰컨 9 프로토타입을 개발했다.^[34] 그래스호퍼는 2012년부터 2013년까지 8번의 성공적인 시험 비행을 수행했고,^[35] 2013년 10월 7일 마지막 시험 비행에서 744m 고도까지 비행한 후 수직 이착륙했다.^[36]^[37]

2015년 11월 23일, 블루 오리진의 뉴 셰퍼드 부스터 로켓은 무인 준궤도 시험 비행 후 우주에 도달하여 최초로 성공적인 수직 착륙을 달성했다.^[38] 2015년 12월 21일, 스페이스X 팰컨 9 1단계는 팰컨 9 20번째 비행에서 11개의 상업 위성을 저궤도로 올린 후 성공적인 착륙을 했다.^[39] 이러한 시연은 우주 비행 비용을 크게 줄일 수 있는 길을 열었다.^[40]

코안다 효과를 이용하는 수직 이착륙(VTOL) 항공기는 추력 편향과 유사하게 공기를 방향 전환할 수 있지만, 덕트를 통해 기류를 유도하는 대신 기류는 단순히 기존 표면을 따라 이동한다. 이는 일반적으로 기체의 몸체이므로 재료와 무게가 덜 든다.

4. 1. 군사적 활용

해리어와 F-35B 같은 수직이착륙기는 항공모함이나 강습상륙함에서 운용되며, 지상 공격, 정찰 등 다양한 임무를 수행한다.^[4] 해리어는 일반적으로 STOVL 모드로 운용되어 주어진 거리에서 더 많은 연료나 무기를 탑재할 수 있다.^[4] V/STOL에서 VTOL 항공기는 수직 추력을 사용하여 이륙하기 전에 활주로를 따라 수평으로 이동하며, 이는 추력뿐만 아니라 공기역학적 양력을 제공하여 더 무거운 하중으로 이륙하고 더 효율적으로 운용할 수 있게 한다. 해리어 STOL 작전에서 해군 항공모함의 중요한 측면은 이륙 시 항공기에 추가적인 수직 운동량을 제공하는 "스키 점프"식으로 올려진 앞부분 갑판이다.^[28]

V-22 오스프리는 각 날개 끝에 3엽 프로로터, 터보프롭 엔진 및 변속기 나셀이 하나씩 장착되어 있는 틸트로터 방식의 수직이착륙기이다. 오스프리는 수직 이착륙(VTOL)과 단거리 이착륙(STOL) 기능을 모두 갖춘 다목적 항공기로, 전통적인 헬리콥터처럼 임무를 수행하는 동시에 터보프롭 항공기의 장거리, 고속 순항 성능을 갖추고 있다. FAA는 오스프리를 동력 리프트 항공기 모델로 분류한다.^[15] 주로 병력 수송, 물자 보급, 특수 작전 등 다양한 임무에 활용된다.

4. 2. 민간 활용 (도심 항공 모빌리티)

수직 이착륙기는 에어 택시, 응급 구조, 화물 운송 등 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다. 릴리움 제트, 조비 에비에이션 등 여러 기업에서 수직이착륙 전기 항공기(eVTOL)를 개발하고 있다. 릴리움 제트는 2017년 세계 최초의 비행 테스트에 성공했으며, 2019년 유인 비행 테스트를 계획했다.^[1] 조비 에비에이션은 에어 택시 서비스를 목표로 하는 미국의 벤처 기업이다.^[1]

대한민국 정부는 도심 항공 모빌리티(UAM) 산업 육성을 위한 정책을 추진하고 있으며, 관련 기술 개발 및 인프라 구축에 투자하고 있다.^[1]

5. 대한민국과 수직이착륙기

대한민국은 1970년대부터 수직이착륙기(VTOL)에 대한 연구 개발을 시작하여 꾸준히 기술력을 축적해왔다. 한국항공우주연구원(KARI)은 스마트 무인기 개발 사업을 통해 틸트로터 무인기 기술을 확보하였다. 한국항공우주산업(KAI)은 차세대 수직이착륙기 개발을 추진하고 있으며, 군용 및 민수용으로 활용 가능한 다양한 모델을 개발할 계획이다.

5. 1. 대한민국의 주요 수직이착륙기 개발 사례

대한민국은 틸트로터 기술을 활용한 무인기 개발에 주력해 왔다.

KARI 스마트 무인기: 틸트로터 기술을 적용한 무인기로, 정찰, 감시 등 다양한 임무 수행이 가능하다.
KAI TR-60/TR-100: 틸트로터 무인기로, 해상 작전, 산불 감시, 재난 대응 등 다양한 분야에 활용될 수 있다.
KAI NI-500VT: 수직이착륙 무인기로, 도심 지역에서의 감시, 정찰, 물류 운송 등 다양한 임무 수행을 목표로 개발 중이다.

5. 2. 대한민국 수직이착륙기 기술의 과제와 미래

대한민국은 수직이착륙기 기술 개발에 있어 여러 과제를 안고 있다. 근거리 운항 시 시간 단축과 소음 문제 해결에 이상적인 기종으로 평가받지만, 기체 중량보다 큰 출력이 필요하고 저속 비행이나 수직-수평 비행 전환 시 불안정하다는 기술적 한계가 존재한다.^[1] 자동안정장치가 필요하며, 경제성과 안전성 문제도 해결해야 할 과제이다.^[1]

참조

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